Затворение, схватывание и твердение бетонов

При смешивании цемента с водой и наполнителями происходит связывание отдельных частиц в единый монолит, в результате чего образуется искусственный цементный камень.

Смесь вяжущего (цемента) с водой затворения, наполнителями и добавками, улучшающими технологические свойства цементного теста и получающегося искусственного камня, называется бетоном.

Бетонами называют искусственные камни, получающиеся из бетонных смесей (вяжущее, вода, наполнители, добавки).

Бетоны по агрегатному состоянию подразделяют на жидкие (бетонные смеси) и твердые. По характеру наполнителей среди твердых бетонов выделяют обычные и мелкозернистые (песчаные) бетоны. Бетоны, заполнителем в которых является кварцевый песок, называются песчаными или мелкозернистыми. Бетоны, заполнителем в которых являются кварцевый песок, галька, гравий, щебень, называются обычными. По плотности твердые бетоны подразделяют на плотные и легкие. Песчаные бетоны относят к плотным, а газобетоны — к легким бетонам.

Жидкие бетоны при затворении и схватывании превращаются в твердые, образующие искусственное камневидное тело определенной прочности за счет протекания сложных физико-химических процессов. Их подразделяют на несколько последовательно протекающих стадий. Рассмотрим их.

Стадия затворения. Стадия состоит из нескольких процессов.

1. Гидролиз силикатов. Ему в основном подвержен алит (в большом избытке воды гидролизуются и другие компоненты цемента). В производственных условиях реализуется первая стадия гидролиза элита, создающая сильнощелочную среду:

Теоретически возможен процесс полного гидролиза (реально не протекает, так как для получения жидкого бетона воды берут значительно меньше, чем это необходимо для протекания полного гидролиза):

При смешивании воды и цемента твердые частицы сначала смачиваются, и на их поверхности возникает избыток воды (по сравнению с внутренней частью частицы), поэтому процессы на поверхности и внутри частицы различны (на поверхности частицы гидролиз реализовался и протекает следующая стадия, а внутри частицы гидролиз только начинается и т. д.).

2. Гидратация белита. Процесс возможен в сильнощелочной среде:

Гидролиз алита и гидратация белита протекают с небольшой разницей во времени, поэтому процессы 1 и 2 можно характеризовать одним уравнением.

3. Гидратация целита. Состоит из двух реакций — вза-имодействия с водой трехкальциевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита:

Эта реакция протекает с большой скоростью.

Взаимодействие четырехкальциевого алюмоферрита с водой протекает в две стадии. В первой стадии он разрушается, образуя шестиводный трехкальциевый алюминат и гидратированный монокальциевый метаферрит:

Во второй стадии гидратированный монокальциевый метаферрит реагирует со «свободной» негашеной известью:

Процессы, протекающие при затворении жидкого бетона, более сложны и многообразны (состав цемента более сложен), но этого достаточно для характеристики химизма затворения бетона.

Стадия коллоидации. В этой стадии образующиеся продукты гидратации компонентов цемента, нерастворимые в насыщенном водном растворе гашеной извести, образуют центры коллоидных частиц, которые укрупняются и образуют сначала золь, а потом гель. В конце стадии коллоидации образуется камневидное тело с небольшой механической прочностью, способное к тиксотропии, которая имеет большое значение в технологии строительных работ, так как позволяет получать высококачественные изделия строительной индустрии (почему?).

3. Стадия кристаллизации и окончательного твердения.

Эта стадия состоит в том, что в завершении стадии коллоидации возникают мелкие кристаллы, которые растут, сращиваются с другими кристаллами, за счет чего возникает высокопрочное искусственное камневидное тело. Это тело теряет способность к тиксотропии и становится относительно хрупким. Механическая прочность и хрупкость искусственного тела зависит от марки цемента.

При обычном течении процессов твердения максимальная прочность достигается через 28 сут после затворения (в режиме «нормального твердения»). Если возникает необходимость ускорения процессов твердения, изделия из бетона подвергают автоклавной обработке при повышенных температурах и давлении, получая изделия необходимой прочности через 12—15 ч после приготовления цементного теста. В некоторых случаях для ускорения процессов твердения применяют специальные добавки (хлорид кальция и др.). Режим твердения зависит от технологии изготовления строительных конструкций и задач, которые ставятся при их изготовлении. Иногда возникает необходимость замедления процессов твердения, в этом случае используют замедлители твердения (сода и др.).

Задания для самостоятельной работы

• 1. Поясните, что такое бетон, и назовите важнейшие его виды.
• 2. Напишите схемы процессов, протекающих при затворении цемента.
• 3. Поясните, чем исходный цемент отличается от цемента, обработанного водой через сутки.
• 4. Назовите стадии затворения и твердения жидкого бетона; кратко охарактеризуйте две последние стадии.
• 5. Поясните, как можно усилить и затормозить процессы твердения бетона и какое это имеет значение в строительстве.